آمونیاک (\( NH_{3} \)) یک ترکیب شیمیایی بی‌رنگ با بوی تند و مشخص است که از یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن تشکیل شده است. این گاز در دمای اتاق به‌صورت گازی است، اما می‌تواند تحت فشار به مایع تبدیل شود. آمونیاک به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی منحصربه‌فردش، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد، از کشاورزی تا تولید مواد شیمیایی
خواص شیمیایی و فیزیکی آمونیاک : گازی سبک با جرم مولی 17.03 g/mol است. نقطه جوش آن33.34 – درجه سانتی‌گراد و نقطه ذوب آن77.73- درجه سانتی‌گراد است. این ترکیب به شدت در آب محلول است و محلول آبی آن به نام آمونیوم هیدروکسید (\( NH_{4}OH \)) شناخته می‌شود که خاصیت بازی ضعیفی دارد.
آمونیاک می‌تواند با اسیدها واکنش داده و نمک‌های آمونیوم تولید کند، مانند \( NH_{4}Cl \) (آمونیوم کلرید ) ، که از واکنش آمونیاک با هیدروکلریک اسید حاصل می شود .
\( NH_{3}(g)+HCl(aq)\xrightarrow[1atm]{25^{\circ}C}NH_{4}Cl(aq) \)
ساختار مولکولی آمونیاک ساختار مولکولی آن به‌صورت هرمی مثلثی است، با زاویه پیوند حدود 107 درجه ، نیتروژن در مرکز قرار دارد و سه اتم هیدروژن به آن متصل هستند، به همراه یک جفت الکترون غیرپیوندی که باعث قطبیت مولکول می‌شود. این ویژگی آمونیاک را به یک ترکیب واکنش‌پذیر تبدیل می‌کند.
روش‌های تولید آمونیاک تولید صنعتی آمونیاک عمدتاً از طریق فرآیند هابر-بوش انجام می‌شود. در این فرآیند، نیتروژن (\( N_{2} \)) از هوا و هیدروژن (\( H_{2} \)) از گاز طبیعی یا هیدروکربن‌ها در حضور کاتالیزور (معمولاً آهن) و تحت فشار و دمای بالا (400تا 500 درجه سانتی‌گراد و 150تا 300 اتمسفر) ترکیب می‌شوند، این واکنش برگشت‌پذیر است و بهینه‌سازی شرایط برای افزایش بازده حیاتی است.
\( N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons2NH_{3}(g) \)
کاربردهای آمونیاک :
در کشاورزی حدود 80٪ آمونیاک تولیدی در جهان برای تولید کودهای شیمیایی مانند آمونیوم نیترات و اوره استفاده می‌شود. در صنایع شیمیایی ماده اولیه برای تولیدنیتریک اسید ، سیانیدها و پلیمرها و در سردکننده ها به دلیل ظرفیت گرمایی بالا در سیستم‌های تبرید صنعتی استفاده می‌شود. در پاک کننده ها ، در محصولات خانگی مانند شیشه‌شوی‌ها به‌عنوان عامل پاک‌کننده ، در انرژی پاک ، اخیراً آمونیاک به‌عنوان حامل هیدروژن در فناوری‌های انرژی پاک مورد توجه قرار گرفته است.
خطرات و ایمنی آمونیاک گازی سمی است و استنشاق آن می‌تواند باعث تحریک ریه‌ها، سوختگی گلو و حتی مرگ شود. تماس با پوست یا چشم نیز می‌تواند آسیب جدی ایجاد کند. در کار با آن، استفاده از تجهیزات حفاظتی مانند ماسک و دستکش ضروری است. ذخیره‌سازی آن باید در مخازن مقاوم به فشار و در محیط‌های خنک انجام شود.
آمونیاک سبز: به آمونیاکی گفته می‌شود که با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند خورشید یا باد) و بدون انتشار کربن تولید می‌شود. این نوع ماده به‌عنوان سوخت پاک یا حامل هیدروژن در آینده انرژی پایدار نقش مهمی ایفا می‌کند. فناوری‌های الکترولیز آب برای تأمین هیدروژن و جداسازی نیتروژن از هوا در این فرآیند استفاده می‌شوند.
چالش‌های تولید و استفاده از آمونیاک
مصرف انرژی بالا: فرآیند هابر-بوش انرژی‌بر است و حدود 1تا 2٪ از مصرف انرژی جهانی را به خود اختصاص می‌دهد.
انتشار کربن: تولید سنتی این ماده به دلیل وابستگی به گاز طبیعی، \( CO_{2} \) زیادی منتشر می‌کند.
ایمنی: مدیریت نشت و ذخیره‌سازی آن به دلیل سمّی بودن و اشتعال‌پذیری آن چالش‌برانگیز است.
آمونیاک در زیست‌فناوری و پزشکی در زیست‌فناوری، این ماده به‌عنوان منبع نیتروژن در کشت میکروبی استفاده می‌شود. در پزشکی، مشتقات آن در تولید داروهای خاص مانند آنتی‌بیوتیک‌ها کاربرد دارند. بااین‌حال، تجمع این ماده در بدن (هایپرآمونمی) می‌تواند به کبد و مغز آسیب برساند.
فرآیند هابر-بوش چیست؟ فرآیند هابر-بوش یک روش صنعتی برای تولید آمونیاک (\( NH_{3} \)) از نیتروژن و هیدروژن است که در اوایل قرن بیستم توسط فریتز هابر و کارل بوش توسعه یافت. این فرآیند به دلیل نقش کلیدی در تولید کودهای شیمیایی و تأمین غذای جهانی، یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های صنعتی قرن بیستم محسوب می‌شود. واکنش شیمیایی اصلی این فرآیند به‌صورت زیر است:
\( N_{2}(g) + 3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)\hspace{0.5cm} \Delta H = -92 kJ/mol| \)
مکانیسم شیمیایی فرآیند هابر-بوش این واکنش یک فرآیند تعادلی و برگشت‌پذیر است که به شدت تحت تأثیر دما، فشار و کاتالیزور قرار دارد. نیتروژن و هیدروژن به دلیل پیوند سه‌گانه قوی در مولکول \( N_{2} \)، به‌سختی واکنش می‌دهند. برای غلبه بر این مشکل، شرایط زیر اعمال می‌شود:
دما: معمولاً بین 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد، دمای بالا سرعت واکنش را افزایش می‌دهد، اما به دلیل ماهیت گرماده (اگزوترمیک) واکنش، دمای بیش از حد ، تعادل را به سمت معکوس سوق می‌دهد.
فشار: بین 150 تا 300 اتمسفر. فشار بالا تعادل را به سمت تولید آمونیاک (که تعداد مول‌های کمتری دارد) جابه‌جا می‌کند، طبق اصل لوشاتلیه
کاتالیزور: معمولاً آهن با افزودنی‌های پتاسیم اکسید و آلومینیوم برای افزایش کارایی ، کاتالیزور انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهد.
مراحل فرآیند هابر-بوش
تهیه مواد اولیه:
نیتروژن: از تقطیر جزء به جزء هوای مایع به دست می‌آید، زیرا نیتروژن 78٪ جو را تشکیل می‌دهد.
هیدروژن: معمولاً از اصلاح بخار گاز طبیعی (متان) تولید می‌شود ، سپس واکنش تبدیل گاز آب (Water-Gas Shift) برای تولید هیدروژن بیشتر انجام می‌شود .گازهای ناخالصی مانند CO و CO₂ حذف می‌شوند تا کاتالیزور مسموم نشود.
\( \begin{align*} &\mathrm{CH_{4}(g) + H_{2}O(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{CO(g) + 3H_{2}(g)} \\ &\mathrm{CO(g) + H_{2}O(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{CO_{2}(g) + H_{2}(g)} \end{align*} \)
فشرده‌سازی گازها: نیتروژن و هیدروژن در نسبت مولی 1:3 مخلوط شده و به کمک کمپرسورها به فشار بالا (150تا300 اتمسفر) می‌رسند.
واکنش در راکتور: گازهای فشرده وارد راکتور کاتالیزوری می‌شوند که حاوی بستر کاتالیزور آهن است. دما در حدود 400 تا500 درجه سانتی‌گراد نگه داشته می‌شود. بازده واکنش در هر چرخه معمولاً 10تا 15٪ است، به دلیل تعادلی بودن واکنش
جداسازی آمونیاک: آمونیاک تولیدی با سرد کردن به مایع تبدیل شده و از گازهای واکنش‌نکرده نیتروژن و هیدروژن جدا می‌شود. گازهای باقی‌مانده به راکتور بازمی‌گردند تا بازده کلی افزایش یابد.
بازیافت و بهینه‌سازی: سیستم‌های بازیافت گاز و انرژی برای کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی استفاده می‌شوند.
تجهیزات اصلی در فرآیند هابر-بوش
کمپرسورها: برای افزایش فشار گازها
راکتور کاتالیزوری: شامل بستر کاتالیزور آهن
مبدل‌های حرارتی: برای مدیریت گرمای آزادشده در واکنش اگزوترمیک
واحدهای جداسازی: برای خالص‌سازی آمونیاک و حذف ناخالصی‌ها
سیستم‌های خنک‌کننده: برای تبدیل آمونیاک گازی به مایع
مزایای فرآیند هابر-بوش
تولید انبوه آمونیاک برای کودهای کشاورزی، که به انقلاب سبز و افزایش تولید غذا کمک کرد ، امکان تولید مواد شیمیایی پایه مانند نیتریک اسید و مواد منفجره ، بازده بالا با استفاده از بازیافت گازهای واکنش‌نکرده.
چالش‌ها و محدودیت‌های فرآیند هابر-بوش
مصرف انرژی بالا: این فرآیند حدود 1 تا 2٪ از کل انرژی جهانی را مصرف می‌کند، عمدتاً به دلیل فشرده‌سازی گازها و تولید هیدروژن.
انتشار کربن دی اکسید: تولید هیدروژن از گاز طبیعی مقادیر زیادی \( CO_{2} \) آزاد می‌کند (حدود 1.5 تا 2 تن \( CO_{2} \) به ازای هر تن آمونیاک)
هزینه کاتالیزور: کاتالیزورهای آهن نیاز به نگهداری و جایگزینی دوره‌ای دارند.
خطرات ایمنی: آمونیاک سمی و قابل‌اشتعال است و نشت گاز می‌تواند خطرناک باشد.
نوآوری‌های مدرن در فرآیند هابر-بوش
آمونیاک سبز: استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر (مانند خورشید و باد) برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب، به‌جای گاز طبیعی، برای کاهش انتشار کربن
کاتالیزورهای پیشرفته: تحقیق بر روی کاتالیزورهای جدید مانند روتنیم یا کاتالیزورهای غیرفلزی برای کاهش دما و فشار موردنیاز
فناوری‌های کم‌فشار: توسعه روش‌هایی برای تولید آمونیاک در فشارهای پایین‌تر برای کاهش مصرف انرژی
جذب کربن: استفاده از فناوری‌های جذب و ذخیره کربن (CCS) برای کاهش اثرات زیست‌محیطی
کاربردهای آمونیاک تولیدی
کودهای شیمیایی: مانند آمونیوم نیترات ، اوره وآمونیوم فسفات برای افزایش بهره‌وری کشاورزی
مواد شیمیایی صنعتی: تولیدنیتریک اسید برای مواد منفجره و پلاستیک‌ها
سیستم‌های تبرید: آمونیاک به‌عنوان مبرد در سیستم‌های خنک‌کننده صنعتی
سوخت پاک: آمونیاک به‌عنوان حامل هیدروژن برای تولید انرژی بدون کربن در حال بررسی است.
آمار و اهمیت جهانی فرآیند هابر-بوش سالانه حدود 150 میلیون تن آمونیاک در جهان تولید می‌کند که 80٪ آن در کشاورزی استفاده می‌شود.
تولید هیدروژن: چالش اصلی تولید هیدروژن بخش انرژی‌بر فرآیند است. روش‌های اصلی تولید هیدروژن عبارت‌اند از:
اصلاح بخار متان (SMR): متداول‌ترین روش که از گاز طبیعی استفاده می‌کند و \( CO_{2} \)زیادی تولید می‌کند.
\( \begin{align*} &\mathrm{CH_{4}(g) + H_{2}O(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{CO(g) + 3H_{2}(g)} \\ &\mathrm{CO(g) + H_{2}O(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{CO_{2}(g) + H_{2}(g)} \end{align*} \)
الکترولیز آب: روش پایدارتر که با برق تجدیدپذیر (مانند خورشیدی) هیدروژن تولید می‌کند:
2H_{2}O(l)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{}2H_{2}(g)+O_{2}(g)
اکسایش آمونیاک: در حضور کاتالیزور (مانند پلاتین) و در شرایط خاص با اکسیژن واکنش می‌دهد ونیتریک اکسید (NO) تولید می‌کند. این واکنش در فرآیند تولید نیتریک اسید (فرآیند استوالد) کاربرد دارد.
\( 4NH_{3}(g)+5O_{2}(g)\xrightarrow[800-900^{\circ}C]{Pt}4NO(g)6H_{2}O(l) \)
واکنش با هالوژن‌ها: با هالوژن‌ها (مانند کلر یا برم) واکنش می‌دهد و محصولات مختلفی تولید می‌کند. این واکنش‌ها می‌توانند خطرناک باشند، به‌ویژه در واکنش با کلر که می‌تواند گازهای سمی مانند کلرامین‌ها تولید کند.
\( \begin{align*} &\mathrm{2NH_{3}(g) + 3Cl_{2}(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{N_{2}(g) + 6HCl(g)} \\ &\mathrm{NH_{3}(g) + Cl_{2}(g)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{NH_{2}Cl(g) +HCl(g)} \end{align*} \)
تشکیل کمپلکس‌های فلزی: آمونیاک می‌تواند به عنوان یک لیگاند در تشکیل کمپلکس‌های فلزی عمل کند، مانند کمپلکس‌های کبالت یا نیکل
\( 6NH_{3}(g)+Ni^{2+}\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{}[Ni(NH_{3})_{6}]^{2+} \)
تجزیه حرارتی: آمونیاک در دماهای بالا (معمولاً با کاتالیزور) تجزیه شده و به نیتروژن و هیدروژن تبدیل می‌شود. این واکنش در تولید هیدروژن برای صنایع استفاده می‌شود.
\( 2NH_{3}(g)\xrightarrow[600^{\circ}C]{Ni/Al_{2}O_{3}}N_{2}(g)+3H_{2}(g)\hspace{0.5cm}\Delta H:+92.4KJ/mol \)
اثرات سمی و کشنده آمونیاک
به دلیل خاصیت خورندگی و محرک بودن، در صورت تماس یا استنشاق می‌تواند اثرات سمی شدیدی بر بدن انسان داشته باشد. اثرات آن به غلظت، مدت زمان قرار گرفتن در معرض، و راه ورود (استنشاق، تماس پوستی، یا بلعیدن) بستگی دارد.
اثرات حاد (کوتاه‌مدت):
استنشاق: غلظت پایین (5-50 ppm): تحریک خفیف چشم، بینی و گلو، سرفه، و احساس ناراحتی.
غلظت متوسط (50-500 ppm): تحریک شدید دستگاه تنفسی، سرفه مداوم، تنگی نفس، و سوزش چشم.
غلظت بالا (بیشتر ازppm 500 ): آسیب جدی به ریه‌ها، ادم ریوی (تجمع مایع در ریه‌ها)، و خطر مرگ. قرار گرفتن در معرض غلظت‌های بسیار بالا (مثل 5000 ppm) می‌تواند در عرض چند دقیقه کشنده باشد.
تماس پوستی: آمونیاک مایع یا گاز غلیظ باعث سوختگی شیمیایی، تاول، و آسیب بافتی می‌شود.
تماس با چشم: سوزش شدید، قرمزی، و در موارد شدید، آسیب دائمی به قرنیه و نابینایی.
بلعیدن: به دلیل نادر بودن، کمتر شایع است، اما می‌تواند باعث سوختگی شدید در دهان، گلو و معده، و حتی مرگ شود.
2. اثرات مزمن (بلندمدت): قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض غلظت‌های پایین آمونیاک می‌تواند باعث مشکلات تنفسی مزمن، مانند برونشیت یا آسم شغلی شود. آسیب به پوست در اثر تماس مکرر، به‌ویژه در محیط‌های صنعتی.
مکانیسم سمی: آمونیاک به دلیل خاصیت قلیایی، با رطوبت موجود در بافت‌های بدن (مانند غشاهای مخاطی) واکنش داده و آمونیوم هیدروکسید (\( NH_{4}OH \)) تولید می‌کند که خورنده است. این ماده باعث تخریب سلول‌ها، التهاب، و در موارد شدید، نکروز بافتی می‌شود.
تهیه آمونیاک به روش هابر- بوش
